JP2005317875A - Solid-state image sensing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に係わり、特に感度の向上を図った固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device with improved sensitivity.
撮像装置として所謂CMOSセンサが有る。CMOSセンサは、光電変換部(フォトダイオード)、光電変換部の信号を読み出す読出しトランジスタ、信号電荷をリセットするリセットトランジスタ、信号を増幅する増幅トランジスタ、ラインを選択する選択トランジスタからなる単位セルが配列されている。 There is a so-called CMOS sensor as an imaging device. The CMOS sensor has a unit cell composed of a photoelectric conversion unit (photodiode), a readout transistor that reads out signals from the photoelectric conversion unit, a reset transistor that resets signal charges, an amplification transistor that amplifies signals, and a selection transistor that selects a line. ing.
フォトダイオードの感度を上げるために、フォトダイオードを自画素(光が入射し、フォトダイオードで光電変換を行いその信号電荷を信号処理するTrを形成している画素領域)の検出部下部にまで拡げて形成する構造が、既に特許文献1に提案されている。 In order to increase the sensitivity of the photodiode, the photodiode is extended to the lower part of the detection part of the own pixel (the pixel area where light is incident and photoelectric conversion is performed by the photodiode to form a signal processing transistor for the signal charge). The structure formed in this way has already been proposed in Patent Document 1.
この場合、読み出しTrの下にフォトダイオードが形成されているため、読み出しトランジスタの動作を安定に行わせるためには、通常読み出しトランジスタの下にフォトダイオードと逆の導電型の半導体層を形成することが必要となる。もし、読み出しトランジスタの下にフォトダイオード(この場合は、N型半導体層)と逆の導電型半導体層(P型)を形成しないとフォトダイオードと検出部(フォトダイオードと同じ導電型半導体層:この場合N型層)が電気的に繋がる恐れが生じるためである。 In this case, since the photodiode is formed under the readout transistor, in order to stably operate the readout transistor, a semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the photodiode is usually formed under the readout transistor. Is required. If a conductive semiconductor layer (P-type) opposite to the photodiode (in this case, the N-type semiconductor layer) is not formed under the readout transistor, the photodiode and the detector (the same conductive semiconductor layer as the photodiode: this This is because the N-type layer in this case may be electrically connected.
しかしながら、前記の理由のため、読み出しトランジスタの下にフォトダイオードと逆の導電型半導体層(P型層:PTS)を形成すると読み出しトランジスタの閾値を調整する必要が生じ、読み出しTrの動作マージンを狭くし、素子動作を不安定にする要因の一つになる。
上述したように、フォトダイオードの感度を上げるために、フォトダイオードを自画素の検出部下部に形成すると、素子動作を不安定にする。 As described above, if the photodiode is formed below the detection portion of its own pixel in order to increase the sensitivity of the photodiode, the device operation becomes unstable.
本発明の目的は、フォトダイオードの感度の向上と、素子の安定動作の両立を図り得る固体撮像装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of achieving both improvement in sensitivity of a photodiode and stable operation of an element.
本発明の一例に係わる固体撮像装置は、第1導電型の半導体基板又はウェルの表面近傍に形成され、光電変換して得られた信号電荷を蓄積する第2導電型の第1の信号蓄積部と、前記第1の信号蓄積部の一端に隣接して前記基板又はウェルの上部に設けられた第1のゲート電極と、この第1のゲート電極の前記第1の信号蓄積部側とは反対側の端に隣接して設けられた第2導電型の第1のドレイン領域と、第1導電型の半導体基板又はウェルの表面近傍に、第1のドレイン領域の前記ゲート電極側と反対側に離間して形成され、光電変換して得られた信号電荷を蓄積する第2導電型の第2の信号蓄積部と、第1導電型の半導体基板又はウェルの内部に、前記第1のドレイン領域の下方、且つ第2の信号蓄積部に接続して形成された第3の信号蓄積部と、前記第2の信号蓄積部の前記第1のドレイン領域側と反対側の端に隣接して前記半導体基板又はウェルの上部に設けられた第2のゲート電極と、この第2のゲート電極の前記第2の信号蓄積部側とは反対側の端に隣接して設けられた第2導電型の第2のドレイン領域とを具備してなることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to an example of the present invention is formed in the vicinity of a surface of a first conductive type semiconductor substrate or well, and stores a signal charge obtained by photoelectric conversion, and a second conductive type first signal storage unit. And a first gate electrode provided on an upper portion of the substrate or well adjacent to one end of the first signal storage unit, and the first signal storage unit side of the first gate electrode is opposite A first conductivity type first drain region provided adjacent to the edge of the first conductivity type, in the vicinity of the surface of the first conductivity type semiconductor substrate or well, on the opposite side of the first drain region to the gate electrode side A second signal storage portion of a second conductivity type, which is formed separately and stores signal charges obtained by photoelectric conversion, and the first drain region inside the first conductivity type semiconductor substrate or well And a third signal formed by being connected to the second signal storage unit A second gate electrode provided on an upper portion of the semiconductor substrate or well, adjacent to an end of the second signal storage unit opposite to the first drain region side, and a second gate electrode And a second drain region of a second conductivity type provided adjacent to an end of the gate electrode opposite to the second signal storage portion side.
本発明によれば、信号蓄積部を隣接する画素の下方に形成して面積を大きくすることで、フォトダイオードの感度の向上と素子の安定動作の両立を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve both the sensitivity of the photodiode and the stable operation of the element by forming the signal storage portion below the adjacent pixel to increase the area.
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係わるMOSイメージセンサを示す回路構成図である。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing a MOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
光電変換のためのフォトダイオード(光電変換部)1、その信号電荷を読み出す読み出しトランジスタ2、読み出した信号電荷を増幅する増幅トランジスタ3、信号を読み出すラインを選択する垂直選択トランジスタ4、信号電荷をリセットするリセットトランジスタ5からなる単位セル15が、二次元状に配列されている。なお、実際にはこれより多くの単位セルが配列される。
A photodiode (photoelectric conversion unit) 1 for photoelectric conversion, a
垂直シフトレジスタ6から水平方向に配線されている水平アドレス線7は垂直選択トランジスタ4のゲートに結線され、信号を読み出すラインを決めている。リセット線8はリセットトランジスタ5のゲートに結線されている。増幅トランジスタ3のソースは垂直信号線9に結線され、その一端には負荷トランジスタ10が設けられている。垂直信号線9の他端は、水平シフトレジスタ12から供給される選択パルスにより選択される水平選択トランジスタ11を介して水平信号線13に結線されている。
A horizontal address line 7 wired in the horizontal direction from the vertical shift register 6 is connected to the gate of the vertical selection transistor 4 to determine a line for reading a signal. The reset line 8 is connected to the gate of the reset transistor 5. The source of the amplification transistor 3 is connected to the
回路的な構成は従来装置と基本的に同様であるが、本実施形態は以下に示す素子構造が従来装置とは異なっている。 The circuit configuration is basically the same as that of the conventional device, but this embodiment is different from the conventional device in the element structure shown below.
図2は、本発明の一実施形態に係わるCMOSイメージセンサの素子構造を示す図。図2(a)は平面図、図2(b)は断面図である。この図では、1つの単位セル部分(1画素に1つのフォトダイオードを含み形成されている)におけるフォトダイオード及び信号読み出しトランジスタを示している。 FIG. 2 is a diagram showing an element structure of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view. This figure shows a photodiode and a signal readout transistor in one unit cell portion (formed by including one photodiode per pixel).
図2に示すように、本実施形態では、p型のSi基板又はpウェル20の内部に、フォトダイオードを構成する、光を電荷に変換して蓄積するn型拡散層からなる第1の信号蓄積部31及び第2の信号蓄積部32が設けられている。第1の信号蓄積部31は、p型基板/ウェル20の表面近傍に形成されている。第2の信号蓄積部32は、p型基板/ウェル20の内部、且つ第1の信号蓄積部31に接続して形成されている。前記第1の信号蓄積部31の一端に隣接してp型基板/ウェル20上にゲート絶縁膜33を介してゲート電極34が設けられている。このゲート電極34の信号蓄積部31とは反対側のp型基板/ウェル20の表面部にn型拡散層からなるドレイン領域35が設けられている。以上が1画素を構成する第1の画素30の構成である。
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a first signal composed of a p-type Si substrate or an n-type diffusion layer that constitutes a photodiode and converts light into electric charges and accumulates inside the p-
次に、第1の画素30に隣接する第2の画素40の構成について説明する。p型基板/ウェル20の内部に、フォトダイオードを構成する、光を電荷に変換して蓄積するn型拡散層からなる第1の信号蓄積部(第2の信号蓄積部)41及び第2の信号蓄積部(第3の信号蓄積部)42が設けられている。第1の信号蓄積部41は、ドレイン領域35のゲート電極34型と反対側の一端に離間配置され、且つp型基板/ウェル20の表面近傍に形成されている。第2の信号蓄積部42は、隣接する第1の画素30のドレイン領域35の下方のp型基板/ウェル20、且つ自画素40の第1の信号蓄積部41に接続して形成されている。第1の信号蓄積部41のドレイン領域35側と異なる一端に隣接して、p型基板/ウェル20上にゲート絶縁膜43を介してゲート電極44が設けられている。このゲート電極44の第1の信号蓄積部41側とは反対側のp型基板/ウェル20の表面部にn型拡散層からなるドレイン領域45が設けられている。以上が1画素を構成する第2の画素40の構成である。第2の信号蓄積部42のゲート電極44の長手方向の長さは、第1の信号蓄積部41のゲート電極44の長手方向の長さより長く形成されている。
Next, the configuration of the
第1の画素30と第2の画素40との間のp型基板/ウェル20にはトレンチが形成され、トレンチ内に素子分離絶縁膜21が埋め込まれている。なお、符号52は隣接する画素の第2の信号蓄積部である。
A trench is formed in the p-type substrate /
第1の画素30のドレイン領域35と第1の画素30に隣接する第2の画素40の第2の信号蓄積部42との間には、p型のパンチスルーストッパ層22が形成されている。パンチスルーストッパ層22のp型不純物濃度は、基板/ウェル20のp型不純物濃度より高い。パンチスルーストッパ層22により、第1の画素30と第2の画素40とが素子分離され、第2の画素40の第2の信号蓄積部42の蓄積信号が第1の画素30のドレイン領域35に流れることがない。また、パンチスルーストッパ層22と第2の信号蓄積部42との接合容量により、フォトダイオードの容量をさらに増大させることができる。
A p-type punch-through
このフォトダイオード構造では、第2の画素40の第2の信号蓄積部42が隣接する画素30のドレイン領域35の下方に形成されているので、実効的なフォトダイオードの面積を広げられる。また、隣接する画素40の下に第2の信号蓄積部42を広げても、第2の信号蓄積部42に蓄積された信号電荷が隣接する画素30の蓄積信号の読み出し時に読み出されることはない。よって、パンチスルーストッパ層22により、第2の信号蓄積部42とドレイン領域35とを素子分離することだけを考慮すれば良い。
In this photodiode structure, since the second
さらに、信号蓄積部を隣接画素の検出部下部に形成する構造においては、自画素のトランジスタのゲート電極の下方に自画素の信号蓄積部が形成されていない。よって、ゲート電極の下方に信号蓄積部と逆導電型の半導体層を形成する必要がない。よって、読み出しトランジスタの閾値を調整する必要が無く、読み出しトランジスタの動作マージンが狭くならず、素子動作の安定化をはかることができる。 Further, in the structure in which the signal accumulation unit is formed below the detection unit of the adjacent pixel, the signal accumulation unit of the own pixel is not formed below the gate electrode of the transistor of the own pixel. Therefore, it is not necessary to form a semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the signal storage portion below the gate electrode. Therefore, it is not necessary to adjust the threshold value of the read transistor, the operation margin of the read transistor is not narrowed, and the element operation can be stabilized.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment. In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.
1…フォトダイオード,2…トランジスタ,3…増幅トランジスタ,4…垂直選択トランジスタ,5…リセットトランジスタ,6…垂直シフトレジスタ,7…水平アドレス線
8…リセット線,9…垂直信号線,10…負荷トランジスタ,11…水平選択トランジスタ,12…水平シフトレジスタ,13…水平信号線,20…p型のSi基板又はpウェル,21…素子分離絶縁膜,22…パンチスルーストッパ層,30…第1の画素,31…第1の信号蓄積部,32…第2の信号蓄積部,33…ゲート絶縁膜,34…ゲート電極,35…ドレイン領域,40…第2の画素,41…第1の信号蓄積部,42…第2の信号蓄積部,43…ゲート絶縁膜,44…ゲート電極,45…ドレイン領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photodiode, 2 ... Transistor, 3 ... Amplification transistor, 4 ... Vertical selection transistor, 5 ... Reset transistor, 6 ... Vertical shift register, 7 ... Horizontal address line 8 ... Reset line, 9 ... Vertical signal line, 10 ...
Claims (5)
前記第1の信号蓄積部の一端に隣接して前記基板又はウェルの上部に設けられた第1のゲート電極と、
この第1のゲート電極の前記第1の信号蓄積部側とは反対側の端に隣接して設けられた第2導電型の第1のドレイン領域と、
第1導電型の半導体基板又はウェルの表面近傍に、第1のドレイン領域の前記ゲート電極側と反対側に離間して形成され、光電変換して得られた信号電荷を蓄積する第2導電型の第2の信号蓄積部と、
第1導電型の半導体基板又はウェルの内部に、前記第1のドレイン領域の下方、且つ第2の信号蓄積部に接続して形成された第3の信号蓄積部と、
前記第2の信号蓄積部の前記第1のドレイン領域側と反対側の端に隣接して前記半導体基板又はウェルの上部に設けられた第2のゲート電極と、
この第2のゲート電極の前記第2の信号蓄積部側とは反対側の端に隣接して設けられた第2導電型の第2のドレイン領域とを具備してなることを特徴とする固体撮像装置。 A second conductivity type first signal storage unit that is formed in the vicinity of the surface of the first conductivity type semiconductor substrate or well and stores signal charges obtained by photoelectric conversion;
A first gate electrode provided on an upper portion of the substrate or well adjacent to one end of the first signal storage unit;
A first drain region of a second conductivity type provided adjacent to an end of the first gate electrode opposite to the first signal storage portion side;
Second conductivity type, which is formed in the vicinity of the surface of the first conductivity type semiconductor substrate or well, on the opposite side to the gate electrode side of the first drain region, and accumulates signal charges obtained by photoelectric conversion. A second signal storage unit of
A third signal storage unit formed inside the first conductivity type semiconductor substrate or well, below the first drain region and connected to the second signal storage unit;
A second gate electrode provided on an upper portion of the semiconductor substrate or well adjacent to an end of the second signal storage portion opposite to the first drain region side;
And a second drain region of a second conductivity type provided adjacent to an end of the second gate electrode opposite to the second signal storage portion side. Imaging device.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081111 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090310 |